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稠油降解气的特征与识别及其勘探潜力

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降解 特征 识别 及其 勘探 潜力
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随着我国天然气消费量的迅速增长和输气管网的建成, 天然气工业将迎来快速发展的历史机遇, 寻找天然气储量和新领域已成为目前中国石油工业的勘探重点。 众所周知, 我国 “六五” — “九五” 的 20 余年天然气攻关, 创建了煤成烃理论 , 并在该理论的指导下,发现了一大批大、 中型煤成气田, 为中国从贫气国走向产气大国创造了条件 [1] , 煤成气目前占我国天然气探明储量的 70% 左右。 随着勘探的深化, 天然气勘探难度增大, 由原来中—深层寻找大型天然气藏的勘探方向已逐渐转移到深层—超深层和浅层, 近期一批超深层原油裂解气大型气藏 (四川盆地罗家寨、 普光等) 和浅层稠油分布区天然气藏的发现, 将带动油型气的勘探,原油成气 (裂解或降解) 将成为新的研究和勘探领域。1 原油的两个成气途径原油进入到储层后通常会遭受一系列的次生蚀变和调整改造 (油藏破坏过程), 最终向两个稳定产物的过程转化, 即 : 一种是随油藏埋藏变浅, 原油遭受水洗氧化或生物降解等作用, 形成稠油 (或生物降解沥青)和天然气 ; 另一种是随着油藏埋深增大, 温度升高, 原油 (烃 类) 的稳定性变差, 在持续受热条件下会裂解成小分子 [2] , 最终转化为焦沥青 (残渣) 和天然气 (主要是甲烷) [3] 。 虽然这是原油两个相背的演化过程, 但都可能导致天然气的大量生成, 也就是从油演变到气。 经过近几年的攻关研究, 在原油裂解成气的动力学机制、 成气特征与地球化学识别, 以及成气潜力与资源评价等方面都取得了显著进展 [4 ~ 5] , 有力指导了海相深层天然气 (原油裂解气) 的评价和勘探。相比之下, 浅层原油降解气的研究就比较薄弱, 在对原油降解成气的途径、 微生物成气机理与成气条件、原油降解成气潜力与控制因素、 分布与富集规律等方面的认识还十分薄弱, 处于起步或探索阶段。2 稠油降解气的特点原油降解气属于次生型生物气, 是指原油在厌氧微生物降解 (稠化) 过程中形成的生物气 (以甲烷为主), 又称为稠油降解气或菌解气 [6] 。 原油降解后的主要产物是甲烷, 多分布在浅层。 稠油降解气形成的基础稠油降解气的特征与识别及其勘探潜力 *朱光有 赵文智 张水昌 邹才能 王政军(中国石油勘探开发研究院, 北京 100083 )摘 要 : 稠油降解气是指原油在厌氧微生物降解过程中形成的天然气, 属于次生型生物气, 分布在浅层, 能大规模聚集成藏。 稠油降解气与稠油有密切的伴生关系, 即大多分布在稠油油田的附近或周围。 稠油降解气以干气为主, 乙烷以上的重烃类含量甚微, 非烃中 N 2 含量较高。 甲烷的碳同位素值呈高负值特征 ( ~ ), 而 却显示出异常重的碳同位素值, 因此较易识别。 稠油在厌氧细菌作用下降解成气的过程是通过多个环节完成的, 是微生物参与的水—烃反应。 目前全球已发现的浅层重油大多是厌氧细菌降解的结果, 在稠油油藏的附近分布着大量可供勘探的稠油降解气藏。 我国东部的含油气盆地和准噶尔盆地西北缘已发现了不少这类具有较大勘探潜力的次生生物气藏。关键词 : 稠油降解气 ; 浅层气 ; 水—烃反应 ; 生物气 ; 资源潜力中图分类号 : 文献标识码 : A* 基金项目 : 中国石油天然气股份有限公司科技项目 “生物气、 低熟气成因机理与富集规律研究” (06。第一作者简介 : 朱光有 , 男, 2003 年毕业于石油大学 (华东), 获博士学位, 高级工程师。 现主要从事油气地质研究工作。收稿日期 : 2006 E T R O L E U M G E O L O G 006 年第 4 期 52是原油厌氧降解, 生物在降解原油的过程中, 一方面消耗了原油中的低碳数烃类, 使原油密度、 粘度、 含硫量升高 ; 同时原油被厌氧微生物降解成简单化合物后, 产甲烷菌可利用其生成甲烷气, 并导致甲烷碳同位素变轻。 稠油降解气的形成过程实际上是原油在厌氧条件下被微生物改造利用再生成的过程。全球已发现的大量浅层重质油田 (藏) 大部分是细菌降解的结果 [7] , 但是过去的研究和认识只局限于喜氧细菌的降解作用, 而忽视了厌氧细菌的降解作用。 实际上在许多含油气盆地中, 原油的厌氧细菌降解作用很普遍, 但它和喜氧细菌对原油的单一破坏作用不同。 厌氧细菌对原油既有破坏性的一面, 又有建设性的一面,即它能使原油性质变差, 又能再生成某些烃类, 并能形成可供勘探开发的新的烃类资源, 形成生物气 [8] 。 我国东部各含油气盆地和准噶尔盆地西北缘等已发现了不少这类生物气藏, 几乎都是和稠油油藏共生。 油藏流体地球化学分析表明, 稠油形成主要与厌氧细菌的生物降解作用有关, 在稠油区广泛分布了次生型的生物气,甲烷是靠细菌厌氧分解石油形成的, 但是成气过程的复杂性和微生物生存条件的苛刻性表明, 目前还没有可靠的手段来预测和评价稠油降解气。 由于该类天然气埋藏浅, 易于开采, 而且天然气性质好, 因此, 查明生物降解过程中产生甲烷机制, 确定生物降解过程中形成的甲烷气量, 这对浅层气勘探具有重要的指导作用。3 稠油降解气的生成过程与控制因素厌氧细菌降解原油生成甲烷的过程是一系列微生物参与活动的结果, 其形成首先可能通过喜氧细菌作用, 降解、 分解高分子烃类产生低分子量化合物, 这一过程对原油具有极大的破坏作用, 产生 , 且逐步消耗 O 2 , 经过中间兼性细菌作用, 最后 O 2 消耗殆尽过渡到厌氧作用 [9 ~ 11] 。 厌氧细菌分解低分子量化合物作为营养源而大量繁殖, 并产生 等, 最后产甲烷菌利用 和外部或储层内生成的氢进一步还原产生 。 由于甲烷菌不具备直接分解有机质的能力, 在与硫酸盐还原菌相竞争的同时, 形成一条细菌活动的食物链。 在链的终端, 甲烷菌得以生存主要依赖于发酵菌和硫酸盐还原菌分解有机质产生 C 、 H 及乙酸等来取得碳源与能源 [12] 。 因此, 稠油降解气的生成过程是发生了微生物参与的水—烃反应 [13 ~ 15] (图 1 )。虽然稠油降解气可以在地下浅层稠油处大量生成,但是其生成和聚集还受一系列因素的控制, 如甲烷细菌活跃、 硫酸盐含量减少、 较强的还原环境、 丰富的有机质、 适宜的温度 ( 35 ~ 40 ℃) 和 ( 、盐度以及压力等 [16 ~ 19] 。 其中, 最重要的因素在于产甲烷菌的存在以及碳水化合物的提供 [20] 。 另外, 自由水对微生物活动非常关键。 生物降解也可能发生在早期储层存在的油水接触面 [21] 。 在许多油田看到的降解原油都发生在流动的油水界面附近 [22] , 这表明生物降解最强烈的地方是在油柱底部, 油水界面为微生物活动提供了最有利的条件, 烃和无机养料通过水流动或水柱扩散运输到油水界面的生物活跃带 [16] 。 因此, 生物厌氧降解作用往往发生在油水接触面附近。虽然在 4深度依然发现有被生物降解的稠油存在, 但已发现的绝大多数生物降解油藏的深度都小于 因此微生物的活动范围决定了稠油的分布深度和稠油降解气的范围。 在 80 ℃以下, 随着储层温度增加, 生物降解逐渐减弱 [22 , 23] , 因此生物降解作用可能不仅取决于原油类型, 而且对温度也具有较强的敏感性 [22] , 所以生物降解油很少在温度高于 80 ℃的储层中发现。4 稠油降解气的特征与识别甲烷生成是一个独特的厌氧过程, 通常甲烷同位素要变轻。 由于甲烷发酵菌优先选择 12 作为碳源,而且在 — 系统中的热力学同位素交换反应中也有利于 富集 12 C , 而 13 C 却更多地保留到残留的 中去 [24 ~ 26] 。 可见在这一过程中存在强烈的碳同位素分馏作用, 所以稠油降解气中甲烷的碳同位素值呈高负值特征 ( ~ ) [14,15,27,28] , 而 却显示出异常重的碳同位素值 [29] , 的δ 13 C 值可能在 +15 ‰图 1 烃类降解产生甲烷的过程示意图 [13]he of H 4in 稠油降解气的特征与识别及其勘探潜力00653左右 [30] 。 如此重的 碳同位素是由于甲烷发酵菌优先选择 12 C 消耗的结果, 而不是无机成因 的标志。由于稠油降解气分布在浅层, 容易与其他成因类型的天然气发生混合, 如经常与热成因甲烷混合 [31 ~ 34] ,因此天然气组分和同位素组成较为复杂, 有些情况下还很难区分。 另外 , 在一些稠油降解气分布区可发现烃类碳同位素明显偏重的现象, 这主要是由于浅层次生蚀变改造天然气混入的影响, 即早期聚集起来的常规天然气后期遭受了微生物的氧化改造而成。 这种天然气最大的特点是丙烷同位素尤其偏重, 这是由于在微生物改造天然气的初始阶段, 丙烷组分优先被破坏, 使残余气体丙烷组分减少且丙烷碳同位素组成显著变重。由于天然气中的重烃组分受微生物的选择性降解, 天然气的碳同位素系列分布出现局部反序现象, 如济阳坳陷一些稠油区的天然气 [35,36] , 天然气组分中甲烷及其同系物的碳同位素比正常天然气明显富集 13 C , 一般要偏重 3 ‰~ 8 ‰。由于稠油降解气与稠油有密切的伴生关系, 这也是稠油降解气最重要的特点, 即天然气大多分布在稠油油田的附近或周围。 另外, 稠油在形成早期或形成过程中, 储层在开启环境下, 微生物由地表水渗入到油层中, 在有大气游离氧存在的氧化条件下, 原油经受氧化、 水洗和喜氧细菌降解作用, 导致原油稠化 ; 一旦当游离氧消耗殆尽, 则 N 2 富集, 喜氧细菌降解作用中止并会转入厌氧细菌降解原油生成甲烷的过程, 因此稠油降解气往往容易富集 N 2 。 另外, 稠油降解气以干气为主, 乙烷以上的重烃类含量甚微。 因此从天然气中烃类和非烃类组分, 以及较轻的甲烷碳同位素和较重的二氧化碳碳同位素等方面可以初步判识稠油降解气 (表 1 )。从目前的研究来看, 松辽盆地西斜坡稠油区的天然气明显具有稠油降解气的特点。 西斜坡天然气组分中以烃类为主, 干燥系数在 上, 非烃 N 2 含量较高。 甲烷及其同系物的碳同位素比正常天然气明显富集 12 C , 一般要偏轻 10 ‰左右, 其中δ 13 C 1 值主要在 ~ , δ 13 C 2 值在 ~ , δ 13 C 3值在 ~ , 与大 庆长垣油溶气有明显的差异。 西斜坡天然气中二氧化碳的碳同位素出现了异常值, 其δ 13 C 值多数在 0 ~ 左右, 明显比有机成因的二氧化碳碳同位素偏重。 由于西斜坡不具备无机成因二氧化碳的形成条件, 其碳同位素组成的异常与其形成过程中碳同位素的分馏有关。 其中天然气性质自东而西逐渐变干, 干燥系数逐渐增大 ( C 1 /C 1 + )表 1 生物气成因类型划分 of 2 ), 即西侧的天然气中几乎没有乙烷以上的重烃类, 湿气组分含量甚微。 甲烷、 乙烷、 丙烷的碳同位素图 2 松辽盆地西斜坡天然气干燥系数 ( C 1 /C 1 + ) of C 1 /C 1 + ) in E T R O L E U M G E O L O G 006 年第 4 期 54自东而西也逐渐变轻 ( 图 3) , 由 逐渐变轻到 这些特征说明生物的降解程度自东向西也逐渐增强。 N 2 含量与甲烷含量存在消长关系, 自西向东含量逐渐增高, 在江桥和富拉尔基一带, 氮气含量超过15% , 部分高达 20% 以上。 这些特征证实松辽西斜坡属于典型的稠油降解气。聚集或散失, 因此聚集保存比较困难。 所以盖层是决定生物气聚集成藏的决定性因素之一。 如果稠油降解气是早期生成的或是生成时间较早, 大部分稠油降解气在深埋和盖层发育过程中很可能大量溢散, 所以稠油降解气主要是靠晚期聚集。 而事实上, 产甲烷菌活动也是在油藏形成以后甚至成藏后很长时间, 油藏受构造运动抬升后, 在适宜的条件下才迅速繁殖和对原油进行破环、 产生甲烷等。 从大多数稠油降解气藏的形成时间来看, 一般稠油降解气藏最终定型时间也在晚期。 因此, 晚期、 超晚期成藏是稠油降解气富集成藏的关键。但是, 与常规生物气藏相比, 稠油降解气藏成藏条件比常规生物气的成藏条件要优越得多, 因为浅层油藏已经具备圈闭和储盖条件, 对于晚期生成的稠油降解气是很理想的成藏条件, 这也是很多地方发现稠油降解气的重要原因之一。 在老油区, 一些枯竭油井停一段时间之后又自然复活产气的现象就主要是厌氧菌解作用的结果。 总之, 次生生物气藏成藏条件优越, 具有较大的勘探潜力。6 稠油降解气的勘探潜力成都沼气所对稠油进行厌氧微生物降解实验 ( 35 ℃下历时 360 天), 测出其新生气态产物的组成和潜量分别是 : : /t , : m 3 /t ,即 1t 原油能生成 的天然气, 其中甲烷约占 70% , 如按质量计算, 则原油质量的 1/4 可以转化成天然气 [8] 。 不同类型和不同演化程度的原油可能也会有不同的生化甲烷潜量。 影响各种有机质 (包括原油、 沥青等) 厌氧降解再生甲烷潜量的因素较多, 关键因素是各种原料中营养物质含量和介质中毒害物质(无机盐类) 含量的多寡, 这也是生化成烃和地化成烃作用的根本性区别之一。 由于稠油降解气来自于稠油,因此稠油的规模对稠油降解气具有一定的控制作用。在我国含油气盆地中, 由生物降解产生的甲烷气可能有巨大勘探潜力。 虽然我国已在松辽盆地西斜坡、渤海湾盆地和准噶尔盆地西北缘等稠油分布区发现了大量稠油降解气, 特别是松辽盆地西斜坡 [37] , 已发现了阿拉新气田 (探明地质储量 10 8 m 3 )、 二站气田 (探明地质储量 10 8 m 3 )、 平洋气田 (探明地质储量 10 8 m 3 ) 等, 另外在长垣及其南部地区也发现有稠油降解气田, 据不完全统计, 目前在松辽盆地已探明稠油降解气的地质储量为 240 × 10 8 m 3[37] 。 根据稠油规模, 初步估计准噶尔盆地西北缘浅层聚集有图 3 松辽盆地西斜坡甲烷碳同位素 (‰) 13 C 1 in 油降解气的富集与成藏稠油降解气是原油在还原环境下经厌氧微生物作用所形成的富甲烷气体, 它可以大规模广范围地生成。特别是在一些稠油油藏附近, 有生物甲烷显示的地区,地层水系统封闭性好, 不存在高浓度硫酸根离子, 这是有利于原油厌氧降解气形成的有利地质条件。 但由于稠油降解气藏一般埋藏浅, 盖层固结程度差、 易渗透,盖层突破压力和渗透率的细微变化就可能导致天然气朱光有等 : 稠油降解气的特征与识别及其勘探潜力00655大约数千亿立方米的稠油降解气。 济阳坳陷的浅层天然气非常富集, 其储量占济阳坳陷天然气总储量的80% 以上, 这些浅层天然气藏呈环状分布在箕状凹陷边缘的凸起带上, 与重油油藏密切伴生, 分布在重油油藏的上方或上倾方, 或以伴生气的形式存在浅层重质油油藏中。 已发现的这些气田埋藏浅 (一般埋深在200 ~ 1000m , 平均在 600m ), 它们一般都不是经过专门勘探获得的, 往往是石油勘探的副产物。7 结 语原油降解次生生物气和常规生物气都主要分布在浅层, 同位素都较轻, 但是在地球化学等方面还具有明显的差异, 相对容易识别。 即原油降解次生生物气大多分布在稠油油田的附近或周围, 以干气为主, 乙烷以上的重烃类含量甚微, 非烃中 N 2 含量较高 ; 甲烷的碳同位素值呈高负值特征, 而 却显示出异常重的碳同位素值。原油降解后的主要产物之一是甲烷, 它们呈环状分布在盆地或凹陷边缘的凸起带上, 与重油油藏密切伴生, 分布在重油油藏的上方或上倾方, 或以伴生气的形式存在于浅层重质油油藏中。 在我国含油气盆地中,由生物降解产生的甲烷气可能有巨大勘探潜力, 并且我国已在多处发现了具有商业价值的原油厌氧降解气藏。勘探原油厌氧降解气藏要比勘探原生生物气藏的难度小得多, 且投资少, 见效快, 并有可能成为我国生物气的主要类型。 原油厌氧降解气在未来有可能成为我国生物气藏的主要资源类型和浅层勘探的重要领域。参考文献[1] 戴金星 , 秦胜飞 , 陶士振 , 等 . 中国天然气工业发展趋势及其地学理论重要进展 [J]. 天然气地球科学 ,2005,16(2):127 ~142[2] P, H. 984:699[3] 赵孟军 , 张水昌 , 刘丰忠 . 油藏演化的两个极端过程 [J]. 石油勘探与开发 ,2003,30(5):21 ~ 24[4] 张水昌 , 王招明 , 王飞宇 , 等 . 塔里木盆地塔东 2 油藏形成历史—原油稳定性与裂解作用实例研究 [J]. 石油勘探与开发 1(6):25 ~ 31[5] 赵文智 , 王兆云 , 张水昌 , 等 . 有机质 “接力成气” 模式的提出及其在勘探中的意义 [J]. 石油勘探与开发 ,2005,32(2):1 ~ 7[6] et of 005,35:1650 ~ 1663[ 7] R F M, M , R. in 21 ~ 328[ 8] 李赞豪 . 具有广阔勘探前景的一种新型浅层天然气油层、煤层厌氧菌解再生生物气 [J]. 石油实验地质 ,1994,16(3):220 ~ 229[ 9] J, ,. in vs 986,93 ~709[10] , ,2002,04 ~ 611[11] ,. 59 ~ 276[12] S. of J B(1988:641 ~ 707[13] , H, 1999,66 ~269[ 14] ,, , et of in :in 003,01 ~ 613[ 15] R, M, P , et in ]of W 16] H )99 ~ 335[ 17] E. 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